El telescopio James Webb revela dos atardeceres diferentes en un exoplaneta

El telescopio James Webb ha desvelado diferencias notables entre las regiones de amanecer y atardecer del exoplaneta ultra caliente WASP-121 b. Estas zonas, conocidas como terminadores, marcan la transición entre el lado diurno permanente del planeta y su lado nocturno. Los hallazgos proporcionaron evidencia clara de que ambas regiones tienen temperaturas y composiciones atmosféricas distintas, confirmando predicciones que anteriormente solo existían en modelos teóricos.

La investigación se basó en mediciones de la luz infrarroja de las estrellas que atravesaron la atmósfera del planeta mientras WASP-121 b cruzaba frente a su estrella anfitriona. Al analizar cómo la atmósfera filtró esa luz durante el tránsito, los científicos encontraron un patrón desigual de absorción.

Según el equipo, esta asimetría se explica mejor por las diferencias en temperatura y química entre los lados de la mañana y la tarde del planeta. "Con su calidad de observación sin precedentes, el JWST nos ofrece las vislumbres más detalladas de planetas distantes hasta la fecha: al medir cómo cambia la absorción de luz estelar a medida que WASP-121 b rota, examinamos su atmósfera longitud por longitud", expresó Cyril Gapp del Instituto Max Planck de Astronomía.

Las observaciones mostraron que el terminador de la tarde absorbe más luz que el de la mañana. Esto coincide con las teorías actuales sobre vientos atmosféricos poderosos que transportan calor desde el lado diurno intensamente caliente hacia el lado nocturno más fresco. Como esos vientos se mueven hacia el este en la dirección de la rotación del planeta, calientan más intensamente la región de la tarde.

A medida que las temperaturas aumentan, la atmósfera se expande. Una atmósfera más grande presenta una mayor sección transversal a la luz estelar entrante, lo que le permite absorber más radiación. Los datos recolectados con el instrumento NIRSpec (espectrómetro de infrarrojo cercano) del JWST también revelaron una señal más fuerte de monóxido de carbono (CO) hacia el final del tránsito. Los investigadores creen que este cambio se debe a efectos de temperatura en lugar de un aumento real en la abundancia de monóxido de carbono.

El agua (H₂O) presentó una historia diferente. Las observaciones sugirieron que las moléculas de agua se vuelven menos abundantes en las regiones atmosféricas más calientes. Los científicos interpretan esto como una disminución genuina de agua, ya que las temperaturas en la atmósfera superior son lo suficientemente altas como para descomponer las moléculas de agua en sus elementos constitutivos. Este hallazgo proporciona evidencia adicional de que los vientos cálidos están calentando el terminador de la tarde.

Un planeta de día y noche permanentes

Detectar tales diferencias sutiles en la atmósfera requirió aprovechar una característica común de los gigantes gaseosos de órbita cercana. Con el tiempo, las fuerzas de marea sincronizan la rotación del planeta con su órbita, haciendo que una rotación tome el mismo tiempo que un viaje alrededor de su estrella. Como resultado, un hemisferio siempre está orientado hacia la estrella, mientras que el otro permanece en oscuridad perpetua.

El WASP-121 b es particularmente extremo, con temperaturas promedio en el hemisferio diurno que rondan los 2770 Kelvin, mientras que en el lado nocturno son de aproximadamente 1000 Kelvin, explicó Tom Evans-Soma de la Universidad de Newcastle, Australia. Estas temperaturas corresponden a casi 2500 grados Celsius en el lado diurno y alrededor de 725 grados Celsius en el lado nocturno.

A medida que el planeta transita su estrella, rota ligeramente entre el inicio y el final del evento. Esta pequeña rotación permite a los astrónomos observar diferentes secciones de la atmósfera. Aunque el lado nocturno permanece mayormente en vista, los científicos también pueden vislumbrar partes de las regiones de amanecer y atardecer, y, dependiendo de la etapa del tránsito, incluso pequeñas áreas más cercanas al lado diurno ardiente.

El lado que lidera la órbita corresponde al terminador de la mañana, mientras que el lado que sigue corresponde al terminador de la tarde.

Transformando el tiempo de tránsito en mapas atmosféricos

Para estudiar la atmósfera, los investigadores analizaron cómo cambió el brillo del planeta durante el tránsito. También examinaron espectros, que se crean cuando la luz se separa en sus longitudes de onda componentes, similar a un prisma creando un arcoíris. Diferentes gases absorben longitudes de onda específicas de luz, lo que permite a los científicos identificar los químicos presentes en la atmósfera.

Debido a que el planeta rota mientras se mueve a través de la cara de su estrella, los cambios en la señal a lo largo del tiempo corresponden a diferentes longitudes en el planeta. Durante un tránsito completo, WASP-121 b rota aproximadamente 30 grados, suficiente para distinguir los terminadores de la mañana (amanecer) y de la tarde (atardecer) con notable precisión.

A menudo, los astrónomos combinan todas las mediciones de tránsito en una sola señal promedio para mejorar la claridad. Sin embargo, en este estudio, Gapp y sus colegas permitieron que la señal variara a lo largo del tiempo a medida que el planeta rotaba. El análisis estadístico mostró que este enfoque coincidió significativamente mejor con las observaciones, proporcionando evidencia sólida de que las diferencias atmosféricas son reales.

Nubes posibles que faltan en los modelos actuales

Para entender las observaciones, los investigadores realizaron simulaciones por computadora del transporte de calor en la atmósfera superior de un gigante gaseoso. Los modelos lograron reproducir la asimetría general causada por las diferencias de temperatura, pero el efecto observado fue más fuerte de lo que se había predicho. Esa discrepancia sugiere que procesos adicionales pueden estar influyendo en la atmósfera.

Una posibilidad es que el terminador de la mañana experimente un enfriamiento adicional que los modelos actuales no logran captar. Investigaciones previas han sugerido que pueden existir nubes en estas regiones. A diferencia de las nubes de la Tierra, probablemente consistirían en minerales como silicato en lugar de gotas de agua. Tales nubes podrían bloquear la radiación infrarroja proveniente de capas más calientes por debajo, haciendo que la atmósfera parezca más fría de lo que realmente es.

Modelar la formación de nubes, la condensación y la evaporación en un entorno que cambia rápidamente sigue siendo extremadamente difícil. Como resultado, muchos modelos de atmósfera de exoplanetas, incluidos los utilizados en este estudio, no incorporan completamente la física de las nubes.

Cuando el equipo modificó sus simulaciones para aproximar los efectos de las nubes, los resultados se alinearon más estrechamente con las observaciones. Aun así, se necesitarán modelos más avanzados antes de que los investigadores puedan confirmar con confianza la presencia de nubes en WASP-121 b.

Una nueva forma de estudiar exoplanetas extremos

Las futuras mejoras en los modelos atmosféricos podrían hacer que esta técnica sea aún más poderosa. Los investigadores ya han identificado otros gigantes gaseosos ultra calientes con temperaturas y tasas de rotación adecuadas para estudios similares. Al aplicar el mismo método a una muestra más grande de planetas, los astrónomos esperan comparar cómo cambian las condiciones atmosféricas en diferentes mundos y obtener una comprensión más profunda de sus estructuras tridimensionales.

Información adicional

Los astrónomos del MPIA involucrados en este estudio fueron Cyril Gapp (también de la Universidad de Heidelberg), Thomas M. Evans-Soma (también de la Universidad de Newcastle, Australia) y Eva-Maria Ahrer. Otros investigadores incluyeron a Aurélien Falco (de la Sorbonne Université, París, Francia), David K. Sing (de la Universidad Johns Hopkins, Baltimore, EE. UU.), Shashank Dholakia (de la Universidad de Queensland, St. Lucia, Australia), Vivien Parmentier (de la Universidad de la Costa Azul, Niza, Francia), Jérémy Leconte (de la Universidad de Burdeos, Francia) y Guangwei Fu (de la Universidad Johns Hopkins).

Las observaciones del JWST utilizadas en este estudio se realizaron como parte del programa GO #1729 (PI: Thomas Evans-Soma, Co-PI: Tiffany Kataria) titulado "Una curva de fase NIRSpec para el Júpiter ultra caliente WASP-121b" y el programa GTO #1201 (PI: David Lafreniere) etiquetado "Exploración NIRISS de la diversidad atmosférica de exoplanetas en tránsito (NEAT)." El NIRSpec fue construido por la industria europea bajo las especificaciones de la Agencia Espacial Europea y gestionado por el proyecto JWST de la ESA en el ESTEC (Centro de Investigación y Tecnología Espacial de Europa), Países Bajos. El contratista principal fue Airbus Defence and Space en Ottobrunn, Alemania. El MPIA contribuyó al desarrollo y fabricación de los filtros y ruedas de rejilla de NIRSpec. El detector y los subsistemas de matriz de micro-obturadores de NIRSpec fueron proporcionados por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de NASA.

El James Webb Space Telescope es el principal observatorio del mundo para la investigación espacial. Es un programa internacional liderado por NASA y sus socios ESA y CSA (Agencia Espacial Canadiense).

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